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02太陽 

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5. 太陽光の分光

(1) NDフィルターを利用した太陽の観察へ戻る

 

(2) フラウンホーファー線へ戻る

 

(3) 影の正体を写すCaKフィルターへ戻る

(4) Hα線のフィルター

 

 (3)で、主なフラウンホーファー線の内、波長の短い可視光線と紫外線の境界付近の

CaK線についてみてきましたので、次には、波長の長い可視光線のC線、別名Hα線を

見てみましょう。

image002

 

image004

赤い光は、彩層の一番外側からコロナの底のあたり

から出ています。Hα線はその赤い光に見える影の

ひとつフラウンホーファ線のC線です。

 

@最悪の日本

  Hα線の写真の撮影は、この日本では大変困難です。どうしてかというと、水はH2O

酸化水素てす。 つまり、酸素と結合した水素が地球上にはいくらでもあります。空気中

にも水素はたくさんあります。湿度がゼロに近いところは砂漠と言われていますが、そこで、

撮影できる人は限られているでしょう。私の住んでいる埼玉県さいたま市見沼区の年間

降水量は1,000mmより少ない程度ですが、日本では大抵2,000mm3,000mm程度の

雨が降ります。

 つまり、太陽の側だけではなく、こちらの地球にもたくさん水素があります。スペクトルの

水素の輝線は、太陽の水素から出ているものも、地球の大気の水素から出ているものも

あります。また、太陽から届く光は、地球大気の中にある水素の影響で吸収されたり

散乱されたりします。このため、Hα線の観測で何も起こってないと思っても、太陽では

活動が起きていることもあります。つまり、Hα線による太陽の観測は、条件の良い時

でないと、日本では良い結果はえられません。そして、中緯度低圧帯にある日本は、

空中の水蒸気がいつも高い、いわばHα線の観測には最悪の場所です。

 このため、昭和の時代には、高いところに専門の方々が観測所を作り観測されて

いました。乗鞍岳のコロナ観測所です。第2次世界大戦のころに、乗鞍岳に天文台の

コロナ観測所が作られ、そのために必要な道路は陸軍の工兵隊などが作ったと聞いて

います。理由は、太陽が水素爆弾と同じ原理で輝いているからです。 

 京都大学は、今でも乗鞍に観測所をお持ちですが、平成なって、宇宙に望遠鏡が

置けるようになってからは、人工衛星を利用した観測ができるようになり、乗鞍のコロナ

観測所は使われなくなったと聞いています。衛星観測に興味のある方は、ひのとり、

ひので、ようこう、などのJAXAのページ参照してください。

 その観測を、山ではなく、海抜数メートルの、しかも、都会からやるのですから、無謀

そのものです。ちょっと待ってください、地方都市や山間の町ならば、と思う人がいますが、

都会よりもずっと霧やもやがかかりますので、こればかりは、首都圏、名古屋圏、京都

大阪神戸の近畿圏、広島の周囲や、北九州に住む我々にも分があります。でも、

目くそと鼻くその争いにすぎません。オーストラリア、モンゴル、新疆の皆さんにはとても

かないません。

 つまり、初めから、うまくいくはずもない、しかも危険なことをやっていることを承知の上で、

以下の話を読んでください。

 

AHα線を取り出すフィルター

  このフィルターの任務は、唯(ただ)一つ、太陽光のスペクトルにボヤーッと見える影の

一つフラウンホーファー線のC線、水素のα線、Hα線がスッキリと見えるようにする

ことです。

image006

 

このフラウンホーファーのC線がボンヤリ

しているので、

 

image008

NDフィルターとRフィルターの組合せでは、

太陽紅炎(ソーラー・プロミネンス)

写真が、こんなにしか写らないのを、

可能な限り改善せよということです。

  以下に、私が普段使用している撮影機材の内、最も単純な仕掛けを説明しながら、

どのようにして、この問題を解決しているのか説明します。上述のように、地球の大気中

にも水滴、水蒸気、薄雲、霧などに水素があるので、大気中に殆どないカルシウムの

K線とは格段に難易度が上がります。

 

B 1段目 ERF

 先ず一段目は、太陽の光を弱めるために使っているフィルターです。

 

エネルギー遮蔽フィルター ERF energy rejection filter

 

image010

5枚のフィルターから構成されていて、それを分解して並べると、この写真のとおりです。

   左から  C4,  A8,  1B,  W4,  UV です。

一般的には、Yなどのフィルター1枚でエネルギーの遮蔽をしますが、この組み合わせに

落ち着いたのは、次のような経験からです。

  ERF無しや、Y21枚だけ使用して、名古屋で太陽を撮影していた時の事です。

空の青い良く晴れた日よりも、スモッグの濃いどんよりした日に、コントラストのあるきれいな

写真が撮れることに気が付きました。どのスモッグでも良く写るわけではなく、何となく茶色い

ような、灰色のような、何とも言えない空になった日に、綺麗に太陽のプロミネンスが写ります。

  その再現のため、フィルターを買い集めました、生産されてないものは中古を、コメ兵、

服部カメラ、・・・・と探し回り、ERFにそのフィルターを加えた時と、加えない時をモニターを

見ながら比較しました。その結果が、私のLUNT LS35T20130186(相当改造してます)

には、この組み合わせです。製造の時期や改造のやり方の違いで、最適な組み合わせは

違いますので、きれいに写すためには、数千枚の写真の比較をする試行錯誤は必須です。

image012

(↑写真をクリックすると拡大)

 

ERF なし

の時の比較的良い写真

 

image014

(↑写真をクリックすると拡大)

 

2年間の試行錯誤の後

ERF 改善後の写真

 

image016

スモッグの再現ができているのか、月で確認。

成功しています。

 青白く煌々と輝く月を、Canon S5ISERFをつけて撮影したものと、フィルターなしで写した

ものの比較です。どちらも全てオートで写すと、T=1/1,600sec1/2,500secですので、

思ったほどは暗くなっていません。月がスモッグでこんなに茶色く見える日、Hα線で

太陽を写すときれいに写ります。

 理由は以下の通りです。

 

各フィルターの効果を見てみましょう。

 

1枚目 C4

image018

 

薄い青のフィルターです

image020

分光器のスリットの前に入れて

分光してみます。

 グラフと左右を合わせるためにスペクトルの写真の左右を以上とは逆にしました。 

image022

太陽の光のスペクトルと

C4を通したスペクトル

image024

ケンコーのホームページにある特性曲線です。

C4は青を強調するためのフィルターですが、ある程度より短い波長は通さず、また、650 nm辺りから右は、透過率が少し上がります。

普通は青を強調するためのフィルターなのですが、ここでは、400 nm以上の紫色や紫外線のカットに役立ち、さらに、Hα線は656nmの赤が一番通りにくいにもかかわらず、55%は透過しているという効果を発揮しています。

 

 

2枚目  A8

 

image026

こんな色のフィルターです。

A8は CCA8 つまり、

CC 色温度を変えるフィルターです

image028

落ち着いた色に変わります。

image030

青い色を抑えて、赤い方が伸びて、赤味のあるスペクトルに変えています。

結果として、青みがかる1枚目を補完して、1枚目と2枚目で波長の短い光を殆どカットしています。

ケンコーのホームページに同等品のグラフはありませんでした。

 

3枚目 1B

image032

スカイライトと呼ばれているフィルターです。青白い顔がほんのりピンクに写りますが、

image034

Kenkoのページの特性曲線はこんなです。

紫外線を100%カット。

青や緑を10%カット

するフィルターです

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太陽光と

1Bを通過した太陽光

1Bも紫や紫外線をカットしているローパスフィルターです。

 

 

4枚目 W4

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image040

Kenkoのページの特性曲線は、青や緑をかなり抑えてしまうカーブになっています。

image042

フィルターなしの太陽光と

W4フィルターを通した太陽光

フラウンホーファー線がかなりはっきり見えています。

これもローパスフィルターです。

 

5枚目 UV

 

image044

UVフィルターです。

殆ど色はありません。

image046

Kenkoのページの特性曲線です。

紫外線をカットするのに使います。

image048

太陽光のスベクトルと

UVフィルターを通った

太陽光のスペクトル

 

 

 

このERFの効果

image050

15枚目(C4,  A8,  1B,  W4,  UV)

重ねて使って見ましょう。

image052

ERFなしの太陽光

ERFを通した太陽光

ERFをこの組み合わせで作ると、エネルギーの高い紫外線をカットして、

青〜赤が残り、さらに、Hα線が、少しはっきりしてきます。

中京工業地帯の名古屋では、スモッグが同じ効果を発揮していたものと推測しています。

 

C 2段目 干渉フィルター 

  エタロンフィルターと呼ばれる種類の干渉フィルターです。

image054

干渉フィルターは2つのブロックに分かれていて、

右端の対物レンズの前に置かれています。

image056

その理由は、レンズで収束光になった光束よりも、遠い太陽から届くほぼ平行な光の方が、干渉させたときに、同じ波長の光を取り出しやすいからです。

image058

干渉フィルターの前半のブロックは、

 

image060

ブドウ色の光だけを通します。

そして、スペクトルには、Hα線が見えています。

image062

干渉フィルターの後半は

薄い黄色い光を右に反射し、

中心部は青い光を通し、外周は薄い黄色の光を通すフィルターです。

image064

このフィルター単独で太陽光を通したスペクトルをは内側と外側の、こんな2つのスペクトルが出てきます。この中央部分を使用します。

 

image066

ERFと干渉フィルターの前半と後半を組み立ててみましょう。

 

image068

まるで、手品のように、赤い光だけが出てきて、赤い光に投げかけられた何かの影、フラウンホーファー線のC線、別名Hα線が暗く、鋭く、はっきりと見えています。

特定の波長の光だけ通す、干渉フィルターのマジックのような機能です。

 

 

 

 ここまで、綺麗にHα線の影が見えていますので、どんな写真が撮れるのか試してみましょう。

image070

image072

後ろから見るとこんな仕組みです。

横から見るとこうなっています。

横の写真の左から、ERF、干渉フィルター、合焦機構、投影機構、カメラです。

ISO=400, T=1/750sec で、こんなきれいなものが写ります。

image074

明るい丸が、太陽の拡大投影画像です。

めでたく、赤い太陽が写っています。

しかし、ちょっと明るすぎて、真っ白になってしまいました。

 その横の次に明るい丸は、ERFに干渉フィルターの反射がもう一度反射して見えている

ゴーストです。さらに、干渉フィルター同士のものや、対物レンズとフィルターの反射しあった

ものなどいっぱいあるので、綺麗な模様になっています。

 できれば、ゴーストたちには出るのを遠慮してもらいたいですね。

image076

ISO=100, T=1/4,000sec にして感度を下げると、白い光球の上に、影を落とすものが見えてきました。それでも、まだ、明るすぎて、良く見えませんので、焦点を合わすことができません。

もう少し、光を弱めつつ、ゴーストをプロックするフィルターや絞りがほしくなります。

 

D 鏡筒と合焦機構

 

 ゴーストを絞りの外へ追い出すためには、なるべく反射面から放します。遠くなるほどゴーストは

実像との距離が離れますので絞でブロックするのに好都合です。このため、筒を干渉フィルター

と次のブロックフィルターの間に入れてあります。

image078

鏡筒はこんな形の筒です。左が太陽の方向です。上についているのは投影式のファインダー

の脚を止める台座です。そして、中央から少し右には、ファインダー用のリングで、アリ型プレート

と接続してあります。これは、さらに大きな別の望遠鏡と同架して使用するときに、光軸を調整

できるようにとの配慮です。単独で使う方はアリ型プレートに直接固定すれば使えます。

image079

鏡筒の後ろには、左端の接続リングをつけます。その差し込みの深さを調節すると、焦点を

合わせるための粗動ができます。

左から2番目にあるのは直進ヘリコイドです。合焦機構の微動を受け持たせてあります。

LS35Tを購入した時には、単純なヘリコイドが付属品としてついてきましたが、カメラを

付けるため、直進ヘリコイドに取り換えてあります。また、その位置も次のブロックフィルター

の後についていました。しかし、使いにくいのと、回折の影響があるので順序を変えました。

詳しくは、ブロックフィルターのところで、詳述します。

その次はネジ径を変換するリングです。

 

 

Eブロックフィルター

image080

このフィルターは左から光が入り、右に出て

くるようにして使います。フィルターは、

 左の入り口、

 天頂 (直交ダイアゴナル)ミラー面、

 右の出口

3か所に入っています。

 まず、光を弱める仕組みですが、左の入り口のフィルターで波長の短い光を反射

しています。次に、ミラー面に塗布してあるフィルターを、入射の時と反射した後の2回、

太陽から来た光が通過します。そして、3枚目の出口にはHα線のかなり濃いバンド・

パス・フィルターが入っています。

 3枚目のミラーは、熱でガラスが膨張した時に割れないように、隙間を開けて取り付け

られていましたが、カチカチ音がしてうるさいのと、誤って落下させてしまった時に割れる

のを避けるために取り付け方を変えています。

 次に右端に直径4mmの穴の開いた絞りが入れてあり、これで、ゴーストをブロックし

ていました。しかし、この穴の周囲の回折現象の影響で周辺の解像度が下がって

しまっていたため改造しました。

 まず、フィルターは6mmより少し大きな四角形でしたので、思い切って、穴を6mm

に広げました。その時に、フィルターを支えていた鉄製の枠を、やわらかいボール紙に

変えました。もちろんボール紙は百数十度で焦げて発火しますので、温度が上ら

ないことを確認しました。

 先端に改造してERFを取り付けたのが、ここでは温度上昇の緩和にも役立って

います。この改造だけやることは危険です。

 しかし、それではゴーストが視界に入ってきてしまいますので、干渉フィルターの締め

付け位置を変えて、視界の外にゴーストを持っていけるようにしてあります。普通は

自分でそこまではできないと思いますので、かなり値段が高くなりますが、初めから

6mm径とか12mm径のブロックフィルターの付いているセットを購入されることを

お勧めします。

  焦点位置からこの絞(出口の穴)までの距離を短くすると、対物レンズからの

距離を遠くすることができます。すると、それだけ対物レンズで収束している光束は

細くなります。従って、回折の影響が減ります。そこで、ブロックフィルターの後ろに

あったヘリコイドをブロックフィルターの前に移しました。ただ、毎回アイピースを取り

換えて使われる方は、改造しないでください。一眼レフなど重いカメラや拡大投影

の機構の重量は全部足すと1Kgにもなりますので、ヘリコイドをいつも動かすのには

明らかに重すぎ、壊れてしまいます。

 

以上で、やっと焦点に到達しました。

しかし、対物レンズの焦点距離は400mmしかありませんので、焦点における太陽の

像の直径は3.6mmしかありません。そこで、拡大投影の必要が生じます。

 

F拡大投影機構

image082

左から42mm-31.7mm変換リング、PL25mmアイピース、つぎの3個が投影用の筒、

右端がTリングです。左端の変換は、長いものを買って必要な長さに切りました。

 

image084

以上を組み立てると、

左のようになります。

 

Gフラウンホーファー線のC線の正体

  この写真のやや暗い影のところが、Hα線、すなわち、フラウンホーファー線のC

の正体です。光球面の赤く明るいところに、薄暗い雲か煙のようなものの影が見え、

外周の外側にも雲か煙のようなものが見えます。

image086 

(↑写真をクリックすると拡大)

C4+A8+1B+W4+UV+Hα(LS35T,0.75), D=35mm foep=770mm

(f1=400mm  f2=PL25mm)

ISO=400 T=1.7778sec (1/45sec×8 flames)  2017/02/12 11:46JST

さいたま市見沼区春野

image088

思い出してください。

赤いところに薄暗い影がみえていて、

それを、フラウンホーファー線のC線と呼んでいました。

image089

太陽光のうちの可視光線のスペクトルにはこんな感じで写っていました。

神代の昔には、太陽(天照皇大神) を過(よぎ)る月の影(天岩戸)

神武天皇のころには、太陽の表面に現れる黒い影(黒点、八咫烏)

19世紀からは太陽の虹(スペクトル)に現れる細い影(フラウン

ホーファー線)の正体を見極めながら、天変地異の予測に使え

ないか、研究を続けている歴史をわかっていただけたでしょうか。

どの時代にも、莫大な国費をかけて、研究を続けてきたわけで、

今日の技術大国Japanがあるのは、倭(和以、やまと)の国(くに、

奈良なら)のできるずっと前からの莫大な投資と教育を続けてきた

成果ではないのだろうかと思っています。

 そして、その成果で老人が趣味で、庭先で、こんな写真を写して

楽しむまでになりました。

 

仕上げは、その正体をもっと見やすくしてご覧に入れます。

 

 

HHα画像の処理

 Hα線は単色光であるから、モノクロのカメラで写すなどと、おっしゃる

アマチュアの方を、多々見かけます。

image090

image092

image094

活動領域

外周のプロミネンス、ダークフィラメント

といった写真が撮れます。

 私が勤務していた観測室でも見学に来られた方に、20年余り前から、このような

白黒画像をライブで見ていただいていたようです。

 でも、カラーの画像と見比べると見劣りします。

image096

 

 上のカラーの画像の白い部分は、RGB赤緑青の光が合成されてできています。

この部分に緑や青の光が写るのには2つの理由があると考えられます。

 

 一つ目は、太陽から来る緑や青の光が写ってしまっているためです。光球が白く、

その光には、当然のこととして、緑や青の成分があります。彩層の赤い層は上の方で、

下の方には、紫、青、緑、黄、橙の光を出しているところは、すでに見ていただいた

通りです。そして、このページで、その色を消すために、どれだけのフィルターをかけて

きたかも見ていただきました。ブロックフィルターの直前まで、光球は真っ白でした。

フイルターは完ぺきではありませんので、当然のこととして、他の光も漏れてきています。

 太陽光のフラウンホーファ線のC線を写しているわけで、水素を加熱して出てきた

水素のα線を写しているわけではありませんので、他の光が混じっているので

Hα線だけを取り出すのは、むつかしい話です。

 

 もう一つは、カメラの受光素子のカラーフィルターに関するものです。カメラのカラー

の受光素子には小さな穴が開いていてそこにRGB3色のフィルターが入っています。

このフィルターも完ぺきではありません。太陽から来る赤い光が強ければ、受光素子の

GBのフィルターを透過してしまいます。ただ、相当弱くなります。

 

 いずれの可能性が高いのか、まだ、確認していませんので、わかればこの記述は

改定しますが、今のところ両方の可能性を否定することができません。

 しかし、この情報を利用しない手はありません、理由は以下の通りです。 

 

次の2枚の写真をご覧ください

image098

image100

 この2枚の写真が、Canon Kiss X3GBのプレーンに写った緑と青の映像です。

この2枚には、フラウンホーファー線のC線は、Rプレーンよりも鮮明に写ります。

理由について、いくつかの可能性を考えてみていますが、まだ、ご説明できるほどの

結論は得ていません。しかし、これを利用しない手はありません。これを昔の白黒写真

のネガの代わりに使用すればよいわけです。

image102

(↑写真をクリックすれば拡大)

そうした処理をすれば、光球面上のフラウンホーファー線のC線という影を

投げかけているものは、今度は明るい赤になり、こんな写真になります。

20170212-11Ha-1116-45-8flames-w_r-rgb-(B+G)-t1

外周の小さなプロミネンスは、その手前に見えているダークフィラメントの列の延長上にあり、おそらく、つながっていることが分かります。

というわけで、非常に情報量の多い写真が手に入ります。

何が写っているのかについては、ページを改めて、説明することにします。

 

 以上で、フラウンホーファー線が、太陽の光球の表面よりは少し上の彩層の、そのまた、

少し上、地球から見て手前や、外周の外に漂う、赤い雲や煙のようなものの影であること

が分かります。これは、皆既月食の時に見える、赤い炎のようなものであって、

太陽紅炎(たいようこうえん、プロミネンス)と呼ばれているものです。

影の正体を見たり、です。

 

 何が、どのように見えるのかは、ページを改めて、説明しますが、Hα線のフィルターで写った

(フラウンホーファー線のC)の写真の処理の最後に、白い背景に赤い影を写した、

Hα線の色が良くわかる写真をご覧ください。

 

image010

2014/09/09 太陽 Hα線

C4+A8+1B+W4+UV+Hα(LS35T,0.75), D=35mm  foep=770mm (f1=400mm  f2=PL25mm)

ISO=400 T=1.7778sec (1/45sec×8 flames)

 

(5) Hα線の写真に写るものへ進む

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